이 수업에서는 광석에서 금속 소재를 제조하기 위한 다양한 방법(공정)을 소개한 후, 그 기초가 되는 반응을 열역학적 화학평형론과 전기화학에 기초하여 학습합니다. 산업과 생활을 지탱하는 핵심 소재인 철강과 하이테크 제품에 필수적인 비철금속의 제련 공정, 그리고 재활용 방법을 배움으로써 앞으로의 기술 개발에도 활용할 수 있는 기초적인 사고를 익히는 것을 목표로 하고 있습니다.
수업 내용
이 수업은 공과대학 공학과 4학년 이상을 대상으로 하는 전문 교육 과목입니다. 화학평형, 산화-환원 등 기본적인 개념을 다시 한 번 배우고 그 이상의 전문적인 내용이나 산업적 응용으로 나아가는 수업이다. 이번에는 총 3회에 걸친 강의 중 2회차 강의를 취재했다.
지난 강의에서는 산화물이나 황화물 등의 광석을 금속 단독으로 만들기 위해 필요한 조건(온도와 주변 가스 조성)에 대해 화학 평형 관점에서 이해하기 위한 개념을 배웠습니다. 이번에는 서로 다른 금속을 분리하기 위해 필요한 합금의 상태도를 복습하는 것부터 시작했습니다.
물질은 온도와 압력에 따라 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태로 변화한다. 각각의 조건에서 물질이 어떤 상태가 되는지를 나타낸 그림을 ‘상태도’라고 하는데, 예를 들어 물의 상태도라면 물이 얼음이나 수증기가 되는 온도와 압력이 표시되어 있습니다. 재료공학 분야에서는 서로 다른 원소를 다양한 비율로 섞었을 때 어떤 합금이 되는지(균일하게 섞여 녹는지, 섞이지 않고 분리되는지)를 나타낸 상태도가 널리 활용되고 있다. 이때 온도를 세로축, 원소를 섞는 비율(조성)을 가로축으로 삼는 것이 일반적이라고 합니다. 우수한 소재 개발을 위한 연구에서도 상태도는 유용하게 쓰이기 때문에 공대 재료설계공학 과정에서는 이 강의 외에도 중점적으로 학습할 기회가 있다고 합니다.
강의에서는 원본 이력서를 바탕으로 은(Ag)-구리(Cu)계 및 구리(Cu)-니켈(Ni)계 이원계 합금의 상태도 설명이 이어졌다. 이원계 합금은 서로 다른 종류의 원소로 이루어진 합금을 의미한다. 은과 구리처럼 고상에서는 잘 섞이지 않는 조합도 있고, 구리와 니켈처럼 균일하게 잘 섞이는 조합도 있다는 합금의 성질을 바탕으로, 고온에서 액체가 된 합금을 서서히 식히면 어떤 반응이 일어나는지 상태도를 바탕으로 생각해본다. 강의에서는 칠판에 그려진 상태도 예시를 바탕으로 수강생과의 질의응답을 통해 설명이 이루어졌다.
그 중 액상에서 고상이 될 때 두 종류의 원소가 분리되어 줄무늬를 형성하는 것을 ‘공결정’이라고 한다는 이야기에서는 이미지 도표를 이용해 시각적으로도 알기 쉽게 설명해 주셨고, 수강생들은 손에 들고 있는 이력서에 색칠을 하며 내용을 정리하는 모습을 보였습니다.
더 발전적인 내용으로 삼원계 합금의 상태도가 소개되었습니다. 세 가지 원소로 이루어진 삼원계 합금의 상태도는 이원계 합금처럼 세로축을 온도, 가로축을 조성으로 하는 평면적인 시각뿐만 아니라 삼각기둥을 떠올리며 입체적으로 생각해야 한다고 설명해주셨습니다. 좀 더 전문적인 내용이었지만, 수강생들이 이해하기 쉽도록 친절하게 설명해 주셨습니다.
강의 마지막에는 지금까지 배운 내용을 활용한 실습을 통해 강의 내용을 이해했는지 확인하는 시간을 가졌습니다. 수강생들은 지금까지 사용했던 이력서와 참고서를 확인하며 집중해서 연습에 임했다.
수강 대상이 중학교 3학년 이상이기 때문에 기초적인 내용은 물론이고, 졸업 연구나 대학원 진학을 염두에 둔 이야기도 있어 화학의 깊이를 느낄 수 있는 강의였습니다.
교사의 의견
‘비철금속’이라는 단어가 생소할 수도 있지만, 철강 이외의 금속 전반(구리, 납, 아연, 귀금속, 알루미늄 등)을 말합니다. 에히메현 토요 지방의 산업은 벳코 동산을 중심으로 발전해 온 역사가 있기 때문에, 에히메대학 학생들에게 비철제련에 대한 친근감을 가져주었으면 하는 바람입니다.
이 수업은 공과대학 재료설계공학과 4학년을 대상으로 공업제품의 재료가 되는 철강과 비철금속이 광석에서 어떻게 만들어지는지(공정)를 설명한다. 고등학교 교과서에도 각종 금속의 제련법이 설명되어 있지만, 이 수업에서는 한 걸음 더 나아가 대학에서 배우는 금속의 물리화학을 바탕으로 공정을 이해하는 것을 목표로 하고 있다.
이 수업이 학생들에게 어떻게 도움이 되었으면 좋겠는지, 제가 기대하는 바를 적어보겠습니다.
우선, 졸업 후 철강업체나 비철금속업체에 취업을 생각하는 학생들은 지금이라도 제련에 대한 기초적인 지식과 구체적인 이미지를 가지고 진로 선택에 참고가 되었으면 합니다. 그리고 실제로 취업했을 때 그 지식이 직장에서 조금이나마 도움이 되었으면 좋겠습니다.
다른 업계에서 일할 생각인 학생들도 4학년이 되면 졸업 논문을 쓰기 위한 연구를 하게 되는데, 직접 시료를 만들 때 이 수업이 힌트가 될 수 있을 거라고 생각합니다. 금속의 제련 방법은 합금이나 세라믹 등 각종 재료의 제작 방법에도 연결되기 때문입니다.
그리고 마지막으로 금속을 만드는 방법에 대해 배우면서 제조업의 발전을 인식했으면 하는 바람입니다. 이 수업의 전반부에서는 청동기 시대부터 시작된 고온의 용광로에서 금속을 만드는 방법을 설명합니다. 후반부에서는 약 200년 전 전기분해가 발명된 이후 가능해진 전기분해를 이용한 제련법을 설명합니다. 이처럼 금속을 만드는 방법은 시대에 따라 달라집니다. 현대에 이르러서는 광석에서 제련하는 것뿐만 아니라 재활용 원료의 처리가 점점 더 중요해지고 있습니다. 환경을 고려해서 공정도 개선해 나가야 합니다. 기술자가 되는 사람들은 이 수업을 통해 물건을 만드는 방법이 새로워진다는 것과 그러한 기술 개발에는 과학적인 원리가 바탕에 깔려있다는 것을 느꼈으면 좋겠습니다.
학생의 댓글
공학부 공학과 久森 雄太 씨
공학부 재료설계공학 과정에서는 우리가 평소에 접하는 제품에도 사용되는 다양한 재료에 대해 배울 수 있습니다. 금속재료에 대해서는 금속의 기초적인 성질이나 실용적인 합금의 특성 등을 물리적인 관점에서 배우는 수업도 많지만, 이 철강-비철제련학에서는 광물에서 실용 가능한 금속재료를 만들기까지의 제조 공정의 기초에 대해 배웁니다. 원료가 재료가 되기까지의 화학반응을 이해함으로써 새로운 재료를 개발하기 위한 기본적인 지식과 사고방식을 익힐 수 있기 때문에 향후 졸업 연구나 향후 기업에서 연구개발을 할 때에도 도움이 될 것 같습니다.
이런 수업을 들으면 평소에 무심코 접하는 금속 재료에 대해 그 제조에 대한工夫(공법)이나, 지금까지 의식하지 못했던 그 재료의 특성에 대해 알 수 있습니다. 배운 것이 일상과 연결되어 있다는 것을 느낄 수 있는 것이 재료디자인공학과 강의의 매력 중 하나다.